فيديو: التصوير الهولوجرافي الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتحدث عن التصوير الهولوجرافي. وهو دراسة تكوين الهولوجرام والتدرب عليها. شاهد العديد منا الهولوجرام من قبل. وفي هذا الدرس، سنتعلم كيفية تكوينه.

أول ما يجب معرفته عن الهولوجرام هو أنه صورة افتراضية ثلاثية الأبعاد. وفي الواقع هذا الجانب الثلاثي الأبعاد هو الذي يجعل الهولوجرام مميزًا جدًّا؛ لأننا إذا فكرنا في الأمر فسنجد أننا معتادون على رؤية الصور الثنائية الأبعاد للأجسام. ونعرف أيضًا بعض المعلومات عن كيفية إنتاج هذه الصور.

فنعلم أنه إذا كان لدينا جسم حقيقي ثلاثي الأبعاد نريد تكوين صورة له، يمكننا التقاط الأشعة الضوئية المنعكسة عن هذا الجسم أو القادمة منه. ثم نسجل شدة هذا الضوء القادم وهو يتوزع عبر شبكة مكانية في جهاز التصوير. عندئذ يمكننا إنتاج صورة للجسم عن طريق إظهار مستوى سطوع كل مربع من هذه المربعات في شبكة الصورة.

إذن بمجرد أن يكون لدينا الشبكة، وكل مربع من هذه المربعات يسمى بكسل، نحسب كمية الضوء؛ أي عدد الفوتونات التي ستسقط على كل بكسل. وكلما زاد عدد الفوتونات، زاد سطوع البكسل، وبالتبعية زاد سطوع هذا الجزء من الصورة. يمكننا القول إذن إن إنشاء صورة ثنائية الأبعاد يتضمن أساسًا عد الفوتونات الساقطة على نقاط مختلفة في جهاز تسجيل الصور. وهذه العملية مناسبة جدًّا لتمثيل كيف يبدو شكل جسم حقيقي ثلاثي الأبعاد من منظور معين. هذا يعني أنها تلتقط منظورًا ثنائي الأبعاد لهذا الجسم الثلاثي الأبعاد.

لكن ماذا لو أردنا رؤية ثلاثية الأبعاد لهذا الجسم؟ يمكننا تكوين صورة كهذه. هذه الصورة تسمى الهولوجرام. لكنها تتطلب تجهيزات مختلفة عن تلك التي استخدمناها هنا لتسجيل صورة ثنائية الأبعاد.

في التجهيزات التي أمامنا، نتعامل بشكل أساسي مع الضوء باعتباره مؤلفًا من جسيمات. فلا يأخذ جهاز التصوير في الاعتبار أيًّا من خصائصه الموجية. لكن لتكوين الهولوجرام؛ أي الصورة الثلاثية الأبعاد، علينا الاستفادة من الطبيعة الموجية للضوء. ولفعل ذلك، ها هي التجهيزات التي يمكننا استخدامها.

في هذا الجزء العلوي الأيسر، يوجد مصدر ضوء ليزر. يمكننا تذكر أن أشعة الليزر تنتج ضوءًا مترابطًا. هذا يعني أن الضوء الصادر من الليزر له علاقة طور ثابتة. إذن من الليزر الذي لدينا، تتحرك مقدمات هذه الموجات الضوئية من اليسار إلى اليمين. يمر بعد ذلك الضوء عبر هذا المكون البصري الذي يسمى مقسم الشعاع. وهذا ما يفعله هذا الجهاز مع الإشعاع القادم. فنصف الضوء الذي يصل إلى مقسم الشعاع يمر إلى الأمام، وينعكس النصف الآخر لأسفل في هذه الحالة.

في هذه المرحلة، لدينا شعاعان منفصلان من الضوء. لكنهما لا يزالان مترابطين. هذا يعني أن الضوء في الشعاع المتجه لأسفل له علاقة طور ثابتة مع الضوء الموجود في الشعاع هنا. ونرى أن شعاع الضوء هذا هو الذي وصل إلى الجسم. لهذا السبب، الاسم الذي يطلق عادة على شعاع الضوء هذا هو شعاع الإضاءة. وهذا بديهي؛ لأنه الشعاع الذي يضيء الجسم. عندما يصل هذا الضوء إلى الجسم، يتشتت في كل الاتجاهات، كما هو متوقع بالضبط. وبعض أجزاء هذا الضوء، وليس كلها بالتأكيد، يتشتت لأسفل.

بمجرد أن ينعكس الضوء عن الجسم، نطلق على الشعاع الناتج اسمًا مختلفًا. فهو يسمى الآن شعاع الجسم. وشعاع الضوء هذا غير مترابط مع الضوء الآخر في التجهيزات الخاصة بنا. هذا لأن الأجزاء المختلفة من هذا الشعاع تنعكس عن أجزاء مختلفة من الجسم، وهو ما يغير علاقات الطور داخل الشعاع.

وبينما يتحرك شعاع الجسم، فإنه يصل في النهاية إلى هذا اللوح، وهو لوح تسجيل فوتوجرافي. هذا اللوح مشابه جدًّا لشريط التصوير الذي قد نضعه في الكاميرا لتسجيل صورة. إذا كان شعاع الجسم هو شعاع الضوء الوحيد الذي سقط على اللوح الفوتوجرافي، فسنحصل في الأساس على صورة مماثلة لتلك التي رأيناها سابقًا، وهي صورة ثنائية الأبعاد للجسم. لكن التجهيزات التي لدينا تسمح لنا بحدوث شيء آخر.

تذكر أن لدينا شعاع ضوء آخر يتحرك باتجاه هذا المكون، وهو مرآة. وتعكس المرآة هذا الشعاع القادم، وترسله نحو اللوح الفوتوجرافي. يصل الضوء الصادر عن هذين الشعاعين المختلفين – هذا الشعاع الذي سنعطيه اسمًا بعد قليل، وشعاع الجسم – إلى اللوح الفوتوجرافي. وبفضل الطبيعة الموجية للضوء، يتداخل شعاعا الضوء هذان معًا.

وكما هو متوقع تمامًا من الموجات، بعض من هذا الضوء يتداخل على نحو بناء، والبعض الآخر يتداخل على نحو هدام، بينما يقع جزء كبير منه بين هذين الحدين. ويسجل اللوح الفوتوجرافي نمط التداخل هذا. إليكم الفكرة وراء ما حدث. بدأنا باستخدام شعاع مترابط من ضوء الليزر. بعد ذلك، قسمنا هذا الشعاع المنفرد إلى شعاعين منفصلين ظلا مترابطين حتى هذه اللحظة.

أحد هذين الشعاعين، ويسمى شعاع الإضاءة، سقط على الجسم، ثم انعكس باتجاه اللوح الفوتوجرافي. لكن الشعاع الآخر انعكس ببساطة عن هذه المرآة ثم سقط باتجاه اللوح الفوتوجرافي. إذن لم تتغير علاقة الطور الخاصة بشعاع الضوء هذا؛ أي الشعاع السفلي في الشكل. ما زال هذا الضوء يتصرف بالطريقة نفسها التي تصرف بها عندما انبعث من الليزر.

ولأن هذا الشعاع لم يتغير عما كان عليه في البداية، فإنه يسمى شعاعًا مرجعيًّا. والفروق بين هذا الشعاع المرجعي وشعاع الجسم هي ما يسجل على اللوح الفوتوجرافي. وبالتحديد، هذه الفروق تظهر على شكل فروق في الطور بين مقدمات الموجات الضوئية.

وإليكم أهمية ذلك في تكوين صورة ثلاثية الأبعاد للجسم. تخيل أن لدينا موجتي ضوء، هذه الموجودة هنا وهذه الموجودة هنا، والموجتان لهما الطول الموجي نفسه. لكن ثمة فارقًا في الطور بينهما يبلغ نصف دورة موجية. هذا يعني أنه عندما تكون إحدى الموجتين عند قمتها تكون الأخرى عند قاعها. وبالمثل، عندما تكون الموجة الأولى عند قمتها، تكون الموجة الثانية عند قاعها، وهكذا.

إذا تداخلت هاتان الموجتان معًا، مثلما تفعل الموجات عندما تصل إلى اللوح الفوتوجرافي في التجهيزات الحالية، فإن فرق الطور البالغ نصف دورة موجية سيسجل. وإذا عرفنا الطولين الموجيين الأصليين لهاتين الموجتين، فيمكننا أن نستدل على فارق المسافة الذي يكافئه هذا الفرق في الطور البالغ نصف دورة موجية.

بالرجوع إلى التجهيزات التي لدينا هنا، نعرف أن أي فرق طور سنراه بين الضوء الذي يصل إلى اللوح الفوتوجرافي، هو ناتج عن التركيب الثلاثي الأبعاد للجسم. إذن لنفترض أن موجة في شعاع الجسم وصلت إلى اللوح الفوتوجرافي بفارق طور مقداره نصف دورة موجية عن موجة في الشعاع المرجعي. في هذه الحالة، سيكافئ ذلك اختلافًا في المسافة التي قطعتها كلتا الموجتين. وهذا الاختلاف ناتج عن الشكل الثلاثي الأبعاد للجسم.

وهكذا، يسجل اللوح الفوتوجرافي الكثير من الفروق في الطور بين هذين الشعاعين القادمين، وهما الشعاع المرجعي وشعاع الجسم. وما يسجله في الأساس هو فروق في المسافة يمكن استخدامها لرسم السطح الثلاثي الأبعاد للجسم. ولن يكون ذلك للجسم كله؛ لأن جميع أجزائه لم تتعرض لشعاع الإضاءة. ولا يصل كل الضوء المشتت عن الجسم الناتج من شعاع الإضاءة إلى اللوح الفوتوجرافي. لكن بالنسبة إلى الضوء الذي يصل، عندما نقارن شعاع الجسم بالشعاع المرجعي، يمكن استخدام فروق الطور التي تظهر لرسم السطح الثلاثي الأبعاد لجزء الجسم المضاء. وكل هذه المعلومات مخزنة في اللوح الفوتوجرافي.

هذه هي إذن طريقة تسجيل الهولوجرام: عن طريق تسليط ضوء مترابط على الجسم الذي نريد تصويره ثم جعل الشعاع المرجعي يتداخل مع هذا الضوء المنعكس عن الجسم. وذلك كي تسجل فروق الطور بين شعاع الجسم والشعاع المرجعي، التي رأينا أنها تكافئ فروق المسافة التي يقطعها هذان الشعاعان، على اللوح الفوتوجرافي.

بمجرد انتهاء هذه العملية، إذا ألقينا نظرة على هذا اللوح الفوتوجرافي الذي تشفر عليه كل هذه المعلومات، فلن يمكننا بأية طريقة رؤية صورة الجسم، وهو التفاحة في هذه الحالة. ونقول إن هذه المعلومات؛ أي الصورة الثلاثية الأبعاد للجسم، مشفرة في اللوح الفوتوجرافي. إذن كيف يمكننا فك تشفيرها بحيث نتمكن من رؤية الهولوجرام بمجرد تسجيله؟

إن أفضل طريقة لفعل ذلك هي استخدام مصدر ضوء مطابق للمصدر الذي استخدمناه لتشفير الهولوجرام. هذا يعني مصدر ضوء مترابط، مثل الضوء الصادر من الليزر، يكون له الطول الموجي نفسه كما في السابق. لنفترض أننا نفعل ذلك. لنفترض أننا سنأخذ مصدر الضوء الأصلي ونسلطه على هذا اللوح الفوتوجرافي الذي يحوي الهولوجرام المشفر.

عندما يتفاعل هذا الضوء مع نمط التداخل المسجل على هذا اللوح، سيحيد. وعند النظر إلى نمط الحيود هذا من منظور معين، تظهر صورة افتراضية ثلاثية الأبعاد للجسم. وهذا هو الهولوجرام.

من المثير للاهتمام هنا أن إمكانية رؤية هذه الصورة الثلاثية الأبعاد من الأساس تعتمد على امتلاك منظور الرؤية المناسب. إذا وقفنا هنا ونظرنا إلى اللوح بهذه الطريقة، فسنتمكن من رؤية هذه الصورة الافتراضية. ولكن إذا وقفنا بدلًا من ذلك هنا، ونظرنا إلى اللوح من هذا الاتجاه، فلن نرى الصورة. كل هذا يعني أنه من الصعب في بعض الأحيان رؤية الصورة الهولوجرافية المعاد تكوينها. لكن إذا تمكنا من تغيير المنظور أو حتى تغيير زاوية اللوح الفوتوجرافي، فيمكننا أن نبدأ بتجربة مدى المنظورات وإيجاده. وهو المدى الذي يمكن من خلاله رؤية الهولوجرام.

ثمة أمر آخر مهم حول الصور الهولوجرافية، وهو أن المعلومات المستخدمة في تكوين هذه الصورة تكون مخزنة في كل نقطة في اللوح الفوتوجرافي. هذا يرجع إلى حقيقة أنه عندما كنا نسجل الهولوجرام ونشفره، فإن الضوء الذي صدر من الجسم وسقط على اللوح الفوتوجرافي قد سقط على كل نقطة من هذا اللوح. هذا يعني أنه إذا كسر اللوح بطريقة ما. لنفترض أننا أسقطناه وانكسر إلى بضعة أجزاء، وأننا تمكنا من استخدام أحد هذه الأجزاء فقط. عندما ننظر إلى الهولوجرام، سيظل بإمكاننا رؤية الجسم بالكامل باعتباره صورة. كل ما في الأمر أنها ستكون بدرجة دقة أقل مما كان عليه الحال سابقًا.

بعد معرفة كل ذلك عن تسجيل الهولوجرام ثم رؤيته، لنتدرب على هذه الأفكار من خلال مثال.

يوضح الشكل جهازًا يستخدم في التصوير الهولوجرافي، يحتوي جسمًا أسطوانيًّا. أي مما يلي يستخدم فيه الجهاز؟ (أ) عرض هولوجرام جسم ما. (ب) تسجيل هولوجرام جسم ما. (ج) تسجيل وعرض هولوجرام جسم ما.

إذا نظرنا إلى الشكل، فسنرى أنه يوضح لنا جهاز التصوير الهولوجرافي هذا. ويتحدث نص السؤال عن جسم أسطواني. يمكننا أن نرى ذلك هنا. بالإضافة إلى ذلك، يمكننا تحديد بعض الأجزاء الأخرى في هذه التجهيزات. على سبيل المثال، يبدو أن هذا العنصر هنا مصدر ضوء، تحديدًا، ضوء ليزر. يمكننا افتراض أن هذا ليزر؛ لأننا نعلم أن هذا الجهاز يستخدم إجمالًا في التصوير الهولوجرافي، وأن هذه التطبيقات تتطلب مصدر ضوء مترابط، مثل الليزر.

إذن هذه الأشعة ذات اللون الأحمر التي نرى أنها تنتقل حول الجهاز لا بد أنها أشعة ضوء الليزر. ويمكننا أن نرى أنه عند هذه النقطة في مسار شعاع الليزر، ينقسم الشعاع بحيث يتحرك هذا الجزء إلى الأمام وينعكس جزء لأسفل. وفي هذين الموضعين في الجهاز، يبدو أن هذين العنصرين هما مرآتان تعكسان ضوء الليزر الساقط. وبعد أن ينعكس الضوء، يتفرق الضوء في الشعاع العلوي، ثم يسقط على هذا الجسم الأسطواني.

وفقًا للشكل، ينعكس هذا الضوء عن الجسم، ثم يسقط في النهاية هنا. وعند هذا الموضع، عند هذا اللوح، نلاحظ أن هذا الضوء القادم من شعاع الضوء العلوي يلاقي الضوء القادم من الشعاع السفلي. ما نراه يحدث بعد ذلك هو أن الضوء الصادر من الجسم، الذي نسميه شعاع الجسم، يتداخل مع شعاع ضوء ثان نسميه الشعاع المرجعي. ويحدث هذا التداخل ويسجل على هذا اللوح.

يسمى هذا اللوح عادة اللوح الفوتوجرافي. وهو يسجل الضوء الساقط عليه. ونظرًا لأن لدينا في هذه الحالة شعاعين من الضوء يتداخلان عند وصولهما إلى اللوح، فإن نمط التداخل هو ما يسجل. إذن ما يحققه الجهاز إجمالًا هو تجميع شعاعين من الضوء، أحدهما المنعكس من الجسم والآخر هو الشعاع المرجعي. ويفعل ذلك بطريقة تتيح تسجيل الفروق بين هذين الشعاعين.

هناك طريقة أخرى لوصف هذه العملية، وهي أن نقول إننا نشفر صورة للجسم، وهو في هذه الحالة الجسم الأسطواني. وهذه المعلومات مسجلة في اللوح؛ حيث يمكن استرجاعها فيما بعد بفك تشفيرها باستخدام مصدر ضوء مشابه. عند حدوث ذلك، يمكن عرض صورة ثلاثية الأبعاد؛ أي هولوجرام، للجسم الأسطواني. لكن هذه العملية، وهذا الجهاز، يركزان بالكامل على تسجيل تلك المعلومات الهولوجرافية. فنحن لا نرى هولوجرامًا. ومن ثم، بالنظر إلى الخيارات الثلاثة للإجابة، يمكننا استبعاد الخيار (أ) وكذلك الخيار (ج)؛ فكلاهما يشير إلى عرض الهولوجرام. والجهاز الذي نراه يستخدم فقط لتسجيل الهولوجرام. وبهذا نختار خيار الإجابة (ب). يستخدم هذا الجهاز لتسجيل هولوجرام جسم ما.

دعونا نتذكر الآن بعض النقاط الأساسية حول موضوع التصوير الهولوجرافي. رأينا في هذا الدرس أن الهولوجرام صورة افتراضية ثلاثية الأبعاد. ولتسجيل هولوجرام جسم ما، مثل هذا الجسم الكروي هنا، يستخدم مصدر ضوء مترابط، مثل الليزر، لتكوين شعاعين مختلفين. الأول يسمى شعاع الإضاءة الذي يسقط على الجسم، ثم عندما ينعكس باتجاه اللوح الفوتوجرافي، يسمى شعاع الجسم. والآخر، الذي لا يتفاعل مع الجسم على الإطلاق، يسمى الشعاع المرجعي. يتقابل الشعاع المرجعي وشعاع الجسم ويتداخلان معًا عند لوح فوتوجرافي تسجل عليه هذه المعلومات.

يتحدد بعد العمق في الهولوجرام بواسطة الفروق في الطور بين شعاع الجسم والشعاع المرجعي. وبمجرد تسجيل هولوجرام؛ أي تشفيره على اللوح الفوتوجرافي، يمكن فك تشفيره ورؤية الصورة باستخدام مصدر ضوء مشابه، أو مطابق في الأحوال المثالية؛ بحيث إنه عندما يضيء هذا اللوح يحيد بالنمط نفسه الذي سجلناه في الأصل. ينتج عن هذا صورة افتراضية ثلاثية الأبعاد للجسم الأصلي تكون مرئية للعين عند النظر إليها من منظور معين. هذا هو ملخص التصوير الهولوجرافي.